مقاله تحلیلی: چالش‌ های آزمایش ‌های مقاومت بتن

از مهم‌ترین وظایف یک پیمانکار اصلی یا یک پیمانکار جزء در پروژه‌های بتنی کسب اطمینان از عمل‌آوری درست بتن و تطابق کیفیت آن با استاندارد‌ها است. این موضوع به لحاظ کنترل و تضمین کیفیت از اهمیت زیادی برخوردار است. انتخاب یک روش دقیق و مناسب برای نظارت بر مقاومت درجای بتن نیز به همان اندازه مهم است. متأسفانه، روش‌های متداول آزمایش کیفیت بتن، علی‌الخصوص مقاومت فشاری، غالباً دچار تناقض‌هایی هستند.

آزمون شکست نمونه استوانه‌ای

اگر پروژه چیزی مشابه اکثر پروژه‌های بتنی باشد، احتمالاً از آزمون‌ شکست برای پایش مقاومت بتن تازه ریخته شده استفاده می‌شود. این شیوه از اوایل قرن نوزدهم بدون تغییر باقی‌مانده است. تکنسین‌های کارگاه برای آزمایش مقاومت بتن به دو شیوه نمونه‌گیری می‌کنند: نمونه‌های استوانه‌ای عمل‌آوری شده در شرایط استاندارد و نمونه‌های استوانه‌ای عمل‌آوری شده در شرایط کارگاهی. این نمونه‌ها بر اساس استاندارد ASTM C31، روش استاندارد ساخت و عمل‌آوری نمونه‌های بتنی در کارگاه، بتن‌ریزی و عمل‌آوری می‌شوند و ازنظر مقاومت فشاری، اغلب توسط آزمایشگاه یک شخص ثالث مورد آزمایش قرار می‌گیرند.

همان‌طور که از نامش پیداست، نمونه‌های استوانه‌ای کارگاهی تحت همان دما و رطوبت نسبی قرار دارند که سازه در محیط تجربه خواهد کرد. برخلاف نمونه‌های استوانه‌ای استاندارد، نمونه‌های کارگاهی درست در کنار دال‌های بتنی موجود در کارگاه نگهداری می‌شوند.

در عمل‌آوری استاندارد یا آزمایشگاهی، استوانه‌های بتنی به آزمایشگاه فرستاده می‌شوند و در مخازن یا اتاق‌های عمل‌آوری قرار داده می‌شوند که تحت شرایط عمل‌آوری مشخص‌شده در استاندارد ASTM و مشخصات پروژه باشند. نمونه‌های استوانه‌ای استاندارد به‌طورکلی 28 روز پس از بتن‌ریزی ازنظر کنترل کیفی و به‌منظور مطابقت با استاندارد تحت آزمایش قرار می‌گیرند.

اگرچه آزمون شکست نمونه استوانه‌ای متداول‌ترین روش آزمایش مقاومت فشاری است، اما عمدتاً با مشکلاتی همراه است که اغلب به‌درستی مقاومت اعضای بتنی درجا را نشان نمی‌دهد. شرایط عمل‌آوری، مساحت سطح استوانه‌ها در مقایسه با عضو بتنی در محل کارگاه و انتقال نمونه‌های کارگاهی به آزمایشگاه همگی عواملی هستند که توازن عملکرد نمونه‌های بتنی را ازنظر گیرش، سخت شدگی و مقاومت در مقایسه با اعضای سازه‌ای ساخته‌شده از همان مصالح بتنی بر هم می‌زنند.

نمونه‌های استوانه‌ای عمل‌آوری شده در شرایط استاندارد

حتی اگر روند آزمایش نمونه‌های استوانه‌ای کاملاً استانداردشده باشد، در صورت عدم رعایت ضوابط استاندارد در کارگاه، تعداد قابل‌توجهی از شکست‌ها «بد» یا ضعیف خواهند بود. ضوابط مربوطه استاندارد موسسه بتن آمریکا (ACI: The American Concrete Institute) یعنی بندهای ACI 318-14، ACI301-16 و ACI311.6-09 بیان می‌کنند که نمونه‌های تست باید مطابق با استاندارد ASTM C31 به‌صورت استاندارد عمل‌آوری شده باشند. پس از قالب‌گیری نمونه‌های استوانه‌ای، دما و رطوبت محیط باید پایش و کنترل شوند. نمونه‌های آزمایش لازم است در محدوده دمایی 60 تا 80 درجه فارنهایت (16 تا 27 درجه سانتی‌گراد) برای مدت‌زمانی نهایتاً تا 48 ساعت (متغیر بر اساس نوع بتن) نگهداری شوند.

 با نگهداری نمونه‌ها در محیطی پر از رطوبت که معمولاً با نصب یک دستگاه کولر در محل ایجاد می‌شود، از کاهش نم و رطوبت نسبی جلوگیری می‌شود. کنترل نامناسب دما و رطوبت نسبی در مراحل اولیه عمر نمونه استوانه‌ای ممکن است منجر به نتایج نادرست هنگام آزمایش در سنین بعدی شود. به‌علاوه، چون نمونه‌های استوانه‌ای عمل‌آوری شده در شرایط استاندارد تحت این شرایط عمل‌آوری شده‌اند، عمدتاً منعکس‌کننده شرایط بتن درجا نیستند بلکه بیشتر کنترل و تضمین کیفیت (QA/QC) را در طرح اختلاط بتن تأیید می‌کنند تا از مطابقت آن با ضوابط آیین‌نامه اطمینان یابند.

نمونه‌های استوانه‌ای کارگاهی

در اکثر کارگاه‌های ساختمانی، نمونه‌های بتنی کارگاهی در سنین مختلف در هفته اول پس از بتن‌ریزی مورد آزمایش مقاومت قرار می‌گیرند تا تصمیم‌گیری درباره زمان قالب برداری بر اساس آن انجام شود. معمولاً اگر بتن به 75% مقاومت طراحی خود برسد، مهندسان سازه اجازه می‌دهند که قالب‌ها برداشته شوند. اگر نمونه‌ها مطابق با استاندارد‌های ASTM به‌درستی تهیه و قالب‌گیری نشده باشند، ممکن است تخلخل یا جداشدگی سنگ‌دانه‌ها در آن‌ها اتفاق بیفتد. درنتیجه، نمونه استوانه‌ای بتن هنگامی‌که تحت نیروی فشاری قرار می‌گیرد مقاومت کمتری خواهد داشت.

به‌علاوه، باوجود قرار گرفتن نمونه‌ها در نزدیکی اعضای بتنی در محل کارگاه، نمونه‌های استوانه‌ای کارگاهی اغلب تحت شرایط محیطی مشابه بتن درجا قرار نمی‌گیرند؛ نمونه‌های استوانه‌ای اغلب در سایه نگه‌داشته می‌شوند. درنتیجه، مقدار مقاومت در هنگام شکست استوانه نشان‌دهنده مقاومت سازه واقعی نیست و در طولانی‌مدت بر کیفیت آن اثر می‌گذارد. یک عامل تأثیرگذار در این امر، مساحت سطح مقطع و اندازه بتن درجا در مقایسه با نمونه‌های استوانه‌ای عمل‌آوری شده در کارگاه است. این تفاوت به‌طور قابل‌توجهی دمای عمل‌آوری نمونه‌های کارگاهی را تغییر می‌دهد و درنتیجه به‌درستی نشان‌دهنده ویژگی‌های بتن درجا نخواهد بود.

پس از عمل‌آوری اولیه در محل، نمونه‌های عمل‌آمده در شرایط استاندارد و شرایط کارگاهی، هردو به آزمایشگاه فرستاده می‌شوند. به دلیل مقاومت نسبتاً پایین نمونه‌ها در سنین پایین، در صورت عدم محافظت در برابر لغزش که معمولاً در حین حمل‌و‌نقل اتفاق می‌افتد، در معرض آسیب مکانیکی قرار می‌گیرند.

 جا‌به‌جایی نادرست نمونه‌ها، به‌ویژه در سنین پایین، آن‌ها را آسیب‌پذیرتر و مستعد وقوع ریز‌ترک‌ها می‌کند؛ بنابراین، هنگامی‌که نمونه‌ها شکسته می‌شوند، چنین تخلخل‌هایی که در اثر ریز‌ترک‌ها ایجادشده‌اند بر مقدار مقاومت آزمون تأثیر می‌گذارند و درنتیجه مقاومت شکست پایین‌تری را نشان می‌دهند که نمی‌تواند بیانگر مقاومت بتن درجا باشد.

ASTM C31/C31M جزئیات مربوط به حمل‌و‌نقل ایمن نمونه‌ها را بیان می‌کند که در آن مدت‌زمان حمل‌و‌نقل از 4 ساعت بیشتر نشود. این نمونه‌ها باید ازنظر شرایط قرار‌گیری در مرحله حمل‌و‌نقل، نظارت شوند. این موضوع شامل محافظت در برابر یخ‌زدگی با عایق‌هایی ازجمله کشیدن پلاستیک یا گونی خیس دور آن‌ها و یا محصور کردن آن‌ها با ماسه مرطوب برای جلوگیری از کاهش رطوبت می‌شود.

حتی اگر بااحتیاط رفتار شود، حمل‌و‌نقل هنوز هم با چالش همراه است. نمونه‌های آزمون که در پشت وانت بدون هیچ بالشتک یا درپوش پلاستیکی قرار داده شده‌اند، در معرض از دست رفتن رطوبت و استحکام ساختاری قرار می‌گیرند. اگرچه حمل‌و‌نقل یک فرآیند فنی نیست، اما گامی اساسی در اطمینان دهی به آزمایشگاه از دریافت نمونه‌های باکیفیت است.

پس‌ازاین که نمونه‌های بتنی برای تعداد روز‌های مشخصی (3، 7 و 14 روز) عمل‌آوری شدند، برای آزمایش شکست در آزمایشگاه آماده می‌شوند. این کار شامل سنگ‌زنی ابتدا و انتهای نمونه استوانه‌ای یا اندود‌کاری آن سطوح است به‌طوری‌که هر دو سطح، موازی شوند. انتها برای اطمینان از تداوم تماس هنگام اعمال بار، سنگ‌زنی می‌شود. طبق استاندارد ASTM C617، اندود‌کاری نمونه‌های استوانه‌ای زمانی انجام می‌شود که امکان سنگ‌زنی وجود نداشته باشد. اگر نمونه استوانه‌ای بتنی قبل از شکستن با دقت و توجه تهیه نشود، هنگام اعمال بار، استوانه به‌درستی شکسته نمی‌شود و بنابراین شکست با مقدار مقاومت کم حاصل می‌شود.

روش‌های جایگزین

آزمون چکش بازتاب یا چکش اشمیت

برای فعال کردن چکش از مکانیزم رها‌سازی فنر استفاده می‌شود که روی یک پیستون ضربه می‌زند تا به سطح بتن برخورد کند. مسافت برگشت از چکش تا سطح بتن با مقداری از 10 تا 100 تعیین می‌شود. این معیار سپس با مقاومت بتن ارتباط پیدا می‌کند. استفاده از چکش بازتاب یا اشمیت نسبتاً آسان است و می‌توان آن را مستقیماً در محل کارگاه انجام داد. بااین‌حال، برای اندازه‌گیری دقیق، پیش کالیبراسیون با استفاده از کر‌گیری مورد نیاز است.

آزمون مقاومت نفوذ (ASTM C803)

دستگاهی یک پین یا پروب کوچک را به سطح بتن هدایت می‌کند تا آزمایش مقاومت در برابر نفوذ را انجام دهد. نیرویی که برای نفوذ به سطح و عمق سوراخ استفاده می‌شود با مقاومت بتن درجا ارتباط دارد. این تست همچنین نسبتاً آسان است و می‌توان آن را مستقیماً در محل کارگاه انجام داد. داده‌های جمع‌آوری‌شده با استفاده از این روش به‌طور قابل‌توجهی به شرایط سطح و همچنین نوع قالب و سنگ‌دانه‌های مورد استفاده وابسته هستند. علاوه بر این، پیش کالیبراسیون با استفاده از چندین نمونه بتنی برای اندازه‌گیری دقیق مقاومت، ضروری است.

آزمون سرعت پالس اولتراسونیک (ASTM C597)

این تست، سرعت عبور یک پالس از یک دال را تعیین می‌کند. میزان سهولت عبور این انرژی از دال، معیار‌های مرتبط با اندازه‌گیری الاستیسیته بتن، مقاومت در برابر تغییر شکل یا تنش و نیز چگالی را در اختیار قرار می‌دهد. سپس این داده‌ها با مقاومت دال ارتباط داده می‌شوند. سرعت پالس اولتراسونیک یک روش آزمایش غیر مخرب است که همچنین می‌تواند برای تشخیص نقص‌های داخل بتن، مانند ترک‌ها و لانه‌زنبوری شدن بتن مورد استفاده قرار گیرد. متأسفانه، این تکنیک بسیار تحت تأثیر حضور آرماتور‌ها، سنگ‌دانه‌ها و رطوبت در عضو بتنی است. همچنین برای تست دقیق نیاز است کالیبراسیون با چندین نمونه انجام شود.

آزمون بیرون کشیدگی (ASTM C900)

اصل اساسی در این آزمایش، کشیدن بتن با استفاده از یک میله فلزی است که یا به‌طور درجا همراه با بتن‌ریزی درون بتن قرار گرفته یا پس از بتن‌ریزی در بتن نصب قرار گرفته است. شکل مخروطی بیرون کشیده شده، به همراه نیروی مورد نیاز برای کشش بتن، به مقاومت فشاری بتن مرتبط است. آزمایش بیرون کشیدگی بتن باوجود آسان بودن، یک آزمایش مخرب است که باعث خرد‌شدگی و آسیب‌دیدگی بتن می‌شود. برای کسب نتایج دقیق، تعداد زیادی نمونه از نقاط مختلف دال مورد نیاز است.

کر‌گیری (ASTM C42)

در این روش از یک دریل نمونه‌بردار برای استخراج بتن سخت شده از دال استفاده می‌شود. سپس این نمونه‌ها در یک دستگاه تحت نیروی فشاری قرار می‌گیرند تا مقاومت بتن درجا را پایش کنند. این نمونه‌ها دقیق‌تر از نمونه‌های کارگاهی تلقی می‌شوند زیرا بتنی که ازنظر مقاومت آزمایش‌شده تحت شرایط دمایی و عمل‌آوری واقعی دال درجا قرار گرفته‌ است. بااین‌حال، این یک تکنیک مخرب است که به‌ناچار یکپارچگی سازه‌ای دال را از بین می‌برد. محل کر‌گیری‌ها باید سپس ترمیم شوند.

سنسورهای بی‌سیم کسب مقاومت بتن (ASTM C1074)

این تکنیک بر این اصل استوار است که مقاومت بتن با تاریخچه دمایی هیدراتاسیون ارتباط مستقیم دارد. حسگر‌های بی‌سیم قبل از بتن‌ریزی درون قالب بتنی، روی میلگرد بسته می‌شوند. داده‌های دمایی توسط حسگر جمع‌آوری‌شده و با استفاده از اتصال بی‌سیم در هر دستگاه هوشمندی به کمک یک اپلیکیشن بارگذاری می‌شوند. از این اطلاعات برای محاسبه مقاومت فشاری عضو بتنی درجا بر اساس معادله رشد مقاومت تنظیم شده در اپلیکیشن استفاده می‌شود. داده‌های مقاومت فشاری به‌صورت لحظه‌ای ارائه می‌شوند. درنتیجه، داده‌ها دقیق‌تر و قابل‌اطمینان‌تر به‌حساب می‌آیند زیرا حسگر‌ها مستقیماً درون قالب قرار می‌گیرند، به این معنا که تحت شرایط عمل‌آوری همان عضو بتنی درجا هستند.

انتخاب آزمون مناسب

آزمایش‌هایی مانند چکش بازتاب و تکنیک مقاومت نفوذ، اگرچه انجام آن‌ها آسان است، اما از دقت کمتری نسبت به سایر روش‌های آزمایش برخوردار هستند. دلیل این است که آزمایش‌های مذکور مرکز عضو بتنی را بررسی نمی‌کنند، بلکه تنها شرایط عمل‌آوری را درست در زیر سطح دال موردبررسی قرار می‌دهند. انجام روش‌هایی مانند روش سرعت پالس اولتراسونیک و آزمون بیرون کشیدگی بتن، به دلیل طولانی‌تر شدن فرآیند کالیبراسیون، چالش‌برانگیز‌تر هستند و برای به دست آوردن داده‌های دقیق، به تعداد زیادی نمونه آزمایش نیاز دارند. به‌عنوان روش‌های مخرب، روش کر‌گیری و روش تهیه نمونه استوانه‌ای درجا پر‌هزینه‌تر هستند و انجام آن‌ها بیشتر طول می‌کشد، درنتیجه مدت‌زمان بیشتری باید برای آن‌ها در برنامه زمان‌بندی لحاظ کرد. در مقابل در روش استفاده از سنسورها، داده‌های مقاومت به‌صورت بلادرنگ به‌طور مستقیم در کارگاه در دسترس هستند و امکان تصمیم‌گیری آگاهانه و سریع را فراهم می‌کنند.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.